Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В настоящее время вода широко используется в различных отраслях промышленности в качестве теплоносителя, в том числе и в тепловой энергетике, но она не может применяться в теплоэнергетических установках без предварительной обработки, поскольку современные тепловые электростанции (ТЭС) в энергетическом цикле используют воду высокого качества. Оборудование современных ТЭС эксплуатируется при высоких тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения толщины отложений на поверхностях нагрева по условиям температурного режима их металла в течение рабочей кампании. Такие отложения образуются из примесей, поступающих в циклы электростанции, в том числе и с добавочной водой, поэтому обеспечение высокого качества водных теплоносителей ТЭС является важнейшей задачей. Использование водного теплоносителя высокого качества упрощает также решение задач получения чистого пара, минимизации скоростей коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и оборудования конденсатно-питательного тракта.

При эксплуатации теплосилового оборудования могут произойти нежелательные различные явления, связанные с качеством воды и пара. Первое явление приводит к выделению из воды твердых веществ (отложений), оседающих большей частью на поверхности металла котла, турбины, подогревателей. Второе явление приводит к выделению взвешенных частиц (шлама), которые с течением времени могут образовывать отложения на поверхности раздела. Вода и пар при взаимодействии с элементами конструкций могут частично растворять их, а затем осаждать продукты коррозии. Кроме того, существуют химические соединения и газы, содержащиеся в воде в микроконцентрациях и поступающие в контур ТЭС с водой первичного заполнения, а также в результате внутриконтурных процессов коррозии. Наиболее распространенными из них являются растворенные в воде хлориды натрия и калия, сульфаты и карбонаты кальция, магния, кремниевая кислота, ионы железа, кислород, масла, нефтепродукты и другие.

Таким образом, качество обработки воды на TЭС тесным образом связано с надежностью и экономичностью эксплуатации современного высокоинтенсивного котлотурбинного оборудования, с безопасностью энергетических установок.

1. Актуальность темы

Проблема автоматизации процессов химической очистки воды на тепловых электрических станциях (ТЭС) является актуальной вследствие следующих обстоятельств:

1. Технологический процесс химической подготовки воды в существенной степени является определяющим для эффективной работы основного оборудования теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и теплосетей, что, в частности, свидетельствует о высокой социальной значимости данного технологического процесса. Качество химической подготовки воды является одним из наиболее значимых факторов, непосредственно формирующих основные характеристики систем электро- и теплоснабжения населения и промышленных предприятий.

2. Оборудование подпитки теплосети весьма громоздко, рассредоточено на большой площади химического цеха и частично за его пределами, что затрудняет организацию эффективного управления процессом вручную.

3. Технологический процесс химической подготовки воды относится к классу дискретно-непрерывных процессов, а при большой протяженности транспортных потоков принятие оперативных решений без автоматизированного и рационального распределения информации затруднительно.

4. Наличие потоков, содержащих агрессивные компоненты, требует непрерывного контроля состояния запорно-регулирующей арматуры и трубопроводов.

Данная работа является актуальной, так как химическая водоочистка широко используются на практике, что касается энергетической промышленности то, не только в ТЭС, но и в АЭС и, естественно, оснащены соответствующей автоматикой. На некоторых ТЭС такая система автоматического регулирования (САР) отсутствует, хотя процесс химической очистки воды проводится, выдает продукцию, но управляется вручную, операторами. Поэтому и возникла необходимость спроектировать и ввести в эксплуатацию САР химической очистки воды.

2. Анализ объекта автоматизации

2.1 Технологическая схема объекта

Химическая водоочистка сложный процесс, который представляет собой совокупность следующих процессов: подогрев исходной воды; осветление, полученной воды; механическая очистка, которая осуществляется с помощью механических фильтров; химическая очистка, которая представляет собой ионный обмен; процесс деаэрации (избавление от молекул воздуха). Именно последовательность этих процессов в условиях автоматизации представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Технологическая схема процесса химической очистки воды
(анимация: 5 кадров, интервал 500 мс, 96 килобайт)

На рисунке 1 обозначены: 1 – регулятор производительности установки (расхода сырой воды); 2, 4 – регулирующие клапаны; 3 – подогреватель сырой воды; 5 – регулятор температуры; 6 – осветлитель; 7 – накопительный бак; 8 – насос; 9 – механический фильтр; 10 – обессоливающая установка; 10 – обессоливающая установка; 11 – фильтры химического умягчения; 12, 14 – деаэраторы (установки для удаления кислорода); 13, 15 – питательный и подпиточный насосы.

2.2 Принцип работы системы

Вода подается на собственные нужды ТЭС, в том числе для приготовления добавочной воды на химводоочистку. Одним из основных факторов, способствующих повышению эффективности процессов осаждения, является подогрев воды. Исходная вода поступает в пароподогреватель, куда подается и пар. Поскольку температура, до которой необходимо нагреть исходную воду строго задана (30ºС), то поступление пара будет осуществляться при постоянном давлении, а нагрев происходит за счет изменения расхода пара. На выходе из пароподогревателя получаем воду с заданной температурой, которая поступает в осветлитель, где и происходит начальный этап очистки воды.

Начальный этап очистки воды – предочистка – необходим для улучшения технико-экономических показателей последующих этапов очистки воды, а также потому, что при отсутствии предочистки применение многих методов на последующих ступенях очистки встречает значительные затруднения.

Наличие различных примесей в исходной воде является причиной приготовления воды для подпитки и заполнения контуров в несколько стадий. Сначала из воды удаляются грубодисперсные и коллоидные частицы методом осаждения, к которому относят процессы коагуляции и известкования, проводимые в осветлителе.

Исходная вода поступает через распределительное устройство в воздухоотделитель, оттуда по отводящей линии через регулирующее сопло направляется в смесительную часть нижнего конуса осветлителя. Сюда же подается известковое молоко и раствор коагулянта. Перемешивание воды и реагентов обеспечивается за счет тангенциального подвода воды в коническую часть корпуса. Регулирующее сопло позволяет менять скорость поступления воды в смесительную часть корпуса. По мере подъема обрабатываемой воды в осветлителе вращательное движение гасится благодаря наличию вертикальных успокоительных перегородок и смесительной решетки. В результате взаимодействия введенных реагентов с обрабатываемой водой выделяется осадок (шлам). Обработанная вода, пройдя верхнюю распределительную решетку, через сборный короб выводится из осветлителя в промежуточный бак. Выделившийся в шламонакопителе осадок частично уплотняется и дренируется с продувочной водой. Продувка шламоуплотнителя осуществляется непрерывно. Песок, скапливающийся в конусе днища осветлителя, периодически удаляется через дренаж осветлителя.

После ввода в природную воду определенной дозы коагулянта вначале происходит помутнение воды, затем с течением времени образуются рыхлые видимые глазом хлопья, оседающие вниз и увлекающие за собой грубодисперсные примеси. При этом наблюдается увеличение прозрачности исходной воды.

В качестве коагулянта используется закисное сернокислое железо (железный купорос). Обработка воды гашеной известью, гидрооксидом кальция, называется известкованием. Основное назначение известкования – снижение бикарбонатной щелочности воды. Одновременно с этим уменьшаются жесткость, солесодержание, концентрации грубодисперстных примесей, соединений железа и кремневой кислоты. Повышение рН воды с целью снижения бикарбонатной щелочности производится гашеной известью, которая подается в воду в виде суспензии (известкового молока).

Таким образом, как видно из процесса осветления, становится очевидным, что необходимо регулировать количество подаваемой в осветлитель воды, количество коагулята и количество щелочи. По технологии осветления изначально необходимо в воду, загруженную в осветлитель, подавать раствор щелочи и спустя минут 5 подавать раствор коагулянта. Основной задачей в процессе осветления является получение заданного pH-параметра.

Пройдя осветлитель вода поступает в промежуточный бак, основной задачей которого является регулирование производительности системы. Это осуществляется за счет изменения уровня воды в баке осветленной воды. Таким образом, на этом этапе необходимо поддерживать заданный уровень воды в баке.

Из промежуточных баков (БОВ) умягченная вода насосами подается для дальнейшей очистки на механические фильтра. Осветление воды при пропуске через механические фильтра происходит в результате прилипания к частицам зернистой загрузки фильтра грубодисперсных примесей исходной воды под действием молекулярных сил притяжения. Интенсивность прилипания тем больше, чем меньше агрессивная устойчивость частиц. Последняя понижается в результате предварительной обработки воды коагулянтом. Образующиеся при этом хлопья легко прилипают к зернистой загрузке, и достигается высокий эффект осветления при сравнительно большой скорости фильтрования. В настоящее время механические фильтры загружены титановой крошкой.

Вода, прошедшая предочистку, практически не содержит в себе грубодисперстных примесей в значительной степени освобождена от коллоидных. Таким образом, полученная вода должна характеризоваться следующими параметрами:

3. Задачи и цели исследования

Исходя из сказанного выше, для постановки общей задачи необходимо применить декомпозицию системы на три подсистемы, поскольку решение задачи химической водоочистки не решается исследованием, контролем и управлением одного процесса. Таким образом, явно выделяются 3 подсистемы:

  1. Подогреватель воды;
  2. Осветлитель;
  3. Накопительный бак.

Ясно, что задачей управления подогревателя является разработка системы автоматического мониторинга за нагревом исходной воды, которая поступает в теплообменник. Необходимо обеспечивать нагрев воды до оптимального уровня, значение которого для рассматриваемого технологического процесса, определенного на основе проведенных исследований и опыте эксплуатации теплообменника в процессе химической водоочистки и составляет 30ºС.

Задачей управления осветителя является разработка системы стабилизации pH-параметра, который оценивается на выходе из осветлителя. Оптимальное значение должно соответствовать 10,0 для рассматриваемого процесса, что было определено в результате исследования.

Задачей управления расходом исходной воды, будет поддержание воды в промежуточном баке на необходимом уровне с возможным отклонением 20 – 30 % от диапазона, что будет характеризовать производительность системы.

Исходя из перечисленных выше задач, ясно, что цель управления процессом предочистки вообще состоит в том, чтобы обеспечить ее должную производительность при требуемых значениях температурой воды и pH-параметра. Достижение этой цели может осуществляться вручную, полуавтоматически или автоматически. В любом случае, главной задачей управления является получение требуемой производительности, а подчиненной задачей является достижение требуемой температуры на выходе из подогревателя и pH-параметра на выходе из осветлителя.

В соответствии с поставленной целью следует автоматизировать процесс поддержания требуемой температуры на выходе из пароподогревателя, pH-параметра на выходе из осветителя и расхода воды в пароподогреватель, на что будет влиять уровень воды в промежуточном баке.

Целью данной работы является повышение производительности химводоочистки и улучшение показателей качества полученной воды за счет внедрения новой системы автоматизированного управления.

4. Проектирование системы автоматического управления

4.1 Обзор и анализ известных решений

В данном разделе проведем исследование уже существующих автоматизированных объектов, рассмотрим их устройство с точки зрения технологических устройств, а так же выявим недостатки и преимущества. Управление технологическими процессам химической очистки воды Новогорьковской ТЭС осуществляется автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУ ТП) на базе микропроцессорной техники Siemens. Контроллер SIMATIC 417-4H является старшим в линейке дублированных контроллеров SIEMENS, то есть обладает максимальными ресурсами (вычислительной мощностью, памятью и так далее). В частности, рабочая память контроллера последней версии FirmWare составляет 30 Мб. Тем не менее программная поддержка операционной системы контроллера заметно отстает, к примеру, в указанном контроллере сохраняется ограничение в 8191 блоков данных. Привычный сервис, обеспечивающий наладочные симуляции входов/выходов и пошаговое отображение процессов промывки и регенерации блоков фильтров ХВО, вывел проект за ограничение по DB. Пришлось частично жертвовать удобством и реконструировать программу, чтобы войти в рамки ограничений процессора. Таким образом, при фактическом использовании менее 10 % рабочей памяти контроллера допустимое количество блоков данных уже оказывается исчерпано.

Характеристики системы автоматизации.

Нижний уровень:

Рассмотренная автоматизированная система обладает рядом преимуществ, но главным недостатком является, то что она рассчитана на большие размеры, чем требует разрабатываемая нами система. В системе применяется Siemens, что накладывает значительные материальные растраты.

4.2 Обоснование принятого направления

Для достижения поставленной цели необходимо спроектировать систему автоматизации, которая будет получать всю необходимую информацию о параметрах системы, которые характеризуют и влияют на ее работу.

Основная задача САУ – повышение производительности за счет изменения уровня воды в промежуточном баке. Второстепенными задачами являются – подогрев воды до заданного значения температуры и поддержание значение pH-параметра при непостоянном водопотреблении.

Измерение текущего значения температуры производится при помощи датчиков температуры, значение pH-параметра – при помощи pH-метра, значения расхода – при помощи расходометра. Обработка данных и выдача сигналов управления на вентили будет производиться при помощи программируемого логического контроллера (ПЛК).

Аналогично будут контролироваться уровень конденсата в пароподогревателе; температура пара, исходной воды и воды в осветителе; расход воды и химических реагентов, а так же давление в баках. Для этого будут установлены следующие измерительные датчики:

Для устранения аварийной ситуации при превышении максимального уровня воды в промежуточном баке минимального уровня, требуется включить/отключить насос. При выходе pH за допустимый предел необходимо перекрыть/открыть соответствующие вентили. При выходе температуры за допустимое значение необходимо перекрыть/открыть соответствующие вентили.

Выводы

В ходе выполнения работы была спроектирована САУ процесса химической очистки воды на ТЭС. САУ эффективно решает поставленные перед ней задачи, за счёт чего достигается поставленная перед системой цель – поддержание на заданном уровне температуры воды, pH-параметра и расхода воды. Анализ текущего состояния вопроса автоматизации систем химической очистки крупных ТЭС показал, что разработанная система эффективнее и дешевле в создании, чем использование уже готовых вариантов от лидирующих компаний.

В результате разработок получена экономичная и надёжная система.

По результатам текущего проекта можно более детально изучить сильные и слабые стороны полученной САУ для дальнейшего усовершенствования системы, устранения недочётов и улучшения эффективности системы.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Лукас В. А. Теория управления техническими системами. Учебный курс для вузов. Екатеринбург: Издательство УГГГА, 2002. – 675 с.
  2. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления. – М.: Лаборатория Базовых знаний. – 2002 – 832 с.
  3. Федюн Р. В., Попов В. А., Найденова Т. В. Принципы построения динамической модели процесса биохимической водоочистки. Наукові праці ДонНТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск 20 (158). – Донецк, ДВНЗ “ДонНТУ”, 2010. – с. 30 – 37.
  4. Федюн Р. В., Найдьонова Т. В., Юрченко Р. В. Математична модель технологічного процесу біохімічного водоочищення. Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск – 22(200) – Донецьк, ДонНТУ, 2012. – с. 48 – 55.
  5. Федюн Р. В., Попов В. О., Бунєєв В. О. Автоматичне управління гідравлічними параметрами системи водопостачання. Наукові праці ДонНТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, Випуск 14 (129). – Донецк, ДонНТУ, 2008. – с. 54 – 63.
  6. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии – 2е здание, дополн. – М.: Госхимиздат, 1962. – 846 с.
  7. Рыбалев А. Н. Автоматическое управление энергетическими установками А. Д. Качан. – Благовещенск, 2007 – 94 с.
  8. Иванова Г. В. Автоматизация технологических процессов основных химических производств: Методическое пособие/ СПбГТИ(ТУ). – СПб., 2003 – 140 с.
  9. Федюн Р. В., Попов В. О., Бунєєв В. О. Автоматичне управління гідравлічними параметрами системи водопостачання. Наукові праці ДонНТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, Випуск 14 (129). – Донецк, ДонНТУ, 2008. – с. 54 – 63.
  10. Ефимов В. Т., Молчанов В. И., Ефимов А. В. Методы расчетов в автоматизации химико–технологических и теплоэнергетических процессов: Учебное пособие. Харьков, 1998.